畢業(yè)設(shè)計開題報告設(shè)計題目:仿生機械魚結(jié)構(gòu)設(shè)計院系名稱:機電工程學(xué)院

專業(yè)班級:學(xué)生姓名:

導(dǎo)師姓名:開題時間:指導(dǎo)委員會指導(dǎo)委員會審查意見：簽字：年月日開題報告撰寫要求一、“開題報告”參考提綱及格式1課題研究目的和意義仿生學(xué)作為上世紀(jì)中葉誕和生發(fā)展的一門學(xué)科，其是生物工程與機械工程以及控制工程等多門學(xué)科的發(fā)展和結(jié)合形成的，主要是為了通過對現(xiàn)有生物系統(tǒng)的其中一些結(jié)構(gòu)功能以及工作原理進行學(xué)習(xí)和模仿，對一些現(xiàn)存技術(shù)裝備進行深度改造，創(chuàng)造新型的技術(shù)系統(tǒng)。隨著科技的發(fā)展，目前現(xiàn)代仿生學(xué)已經(jīng)在包括機器人在內(nèi)的多個領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用。上世紀(jì)90年代以來，機器人在非制造領(lǐng)域(比如，宇宙探測、管道敷設(shè)與檢修、服務(wù)等方面)的應(yīng)用得到了快速的發(fā)展。因此，針對機器人技術(shù)的研究方向逐漸轉(zhuǎn)向了復(fù)雜環(huán)境、惡劣條件下的特種機器人的開發(fā)。機器人系統(tǒng)對于環(huán)境的適應(yīng)能力與兼容性是復(fù)雜環(huán)境下機器人技術(shù)的優(yōu)勢。從而，基于仿生學(xué)原理及針對相應(yīng)的環(huán)境信息的機器人運動機理、控制算法、行為策略等的研究也就成為仿生機器人技術(shù)的一個熱點，基于此的研究成果也大量涌現(xiàn)。隨著水下作業(yè)內(nèi)容的不斷增加以及作業(yè)環(huán)境越來越復(fù)雜，對能夠在復(fù)雜水域環(huán)境進行長時間、高效率的工作的水下機器人開展研究工作成為當(dāng)務(wù)之急。為了適應(yīng)當(dāng)前需求，國內(nèi)外學(xué)者與機構(gòu)開始尋找效率更高、機動性更好的水下推進方式，以達到未來海洋開發(fā)和水下機器人技術(shù)發(fā)展而提出的更高要求。近些年來，隨著仿生學(xué)研究得到長足進步，科研人員對在水中游動快速且具有極高游動效率的魚類的游動機理的研究也不斷深入。將魚類的游動推進機理在水下潛航器以及水下機器人中進行應(yīng)用逐漸成為了現(xiàn)實，運用機器人開展長時間、大范圍的水下作業(yè)的目的也得到實現(xiàn)。仿生機械魚作為一種新型水下機器人，可以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境和高效作業(yè)等要求所帶來的挑戰(zhàn)，因而得到了廣泛的研究與開發(fā)。目前來說，仿生機械魚的魚體水動力學(xué)已經(jīng)有了相關(guān)模型，兩關(guān)節(jié)或三關(guān)節(jié)的機械魚的相關(guān)研究也有不少成果。但隨著我國電力事業(yè)的不斷發(fā)展，對電力設(shè)備的檢修提出了越來越高的要求。這些工作空間狹小，要求檢修設(shè)備具有較高的靈活性，因此一種效率較高、更加靈活機動的多關(guān)節(jié)仿生機器魚對在水下電力設(shè)備檢修以及油浸式變壓器內(nèi)部的檢修可以提供很大幫助。2文獻綜述（課題研究現(xiàn)狀及分析）2.1仿生機械魚研究現(xiàn)狀2.1.1國內(nèi)外研究相關(guān)案例早在上世紀(jì)20年代，西方一些學(xué)者就開始了對魚類游動機理的研究，但受限于當(dāng)時科技水平與條件的限制對相關(guān)理論的研究停留在較低層面[1]。二十世紀(jì)末，隨著現(xiàn)代仿生學(xué)、自動控制理論以及圖像處理等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，運用魚類游動機理設(shè)計水下潛航器和水下機器人成為了現(xiàn)實[2]。麻省理工學(xué)院根據(jù)魚類游動機理研制出世界上首條尾鰭推進仿生機器魚RoboTuna，如圖1-1a)。該機械魚形似金槍魚，靠體外六組電機驅(qū)動，并利用皮帶以及鋼索傳動以保證其游動能力[3]。香港中文大學(xué)在2017年，根據(jù)魚體波理論，成功設(shè)計出一型運用線驅(qū)動尾部推進的仿生機械魚如圖1-1b)。該型機械魚利用舵機連接鋼絲驅(qū)動尾部機構(gòu)進行擺動推進魚體前進[4]，擁有良好的游動性能。1996年，第一款使用胸鰭推進的仿生機器魚在日本東海大學(xué)研制成功，如圖1-1c)。該機器魚設(shè)計為依靠二自由度胸鰭推進的模式，胸鰭能夠靈巧地拍動產(chǎn)生推進動力。2018年，佛羅里達大西洋大學(xué)設(shè)計了一款仿美國刀魚的仿生機器魚如圖1-1d)[5]。通過一系列實驗證明其整體性能良好。a)麻省理工“RoboTuna”b)香港中文大學(xué)機器魚c)東海大學(xué)“BASS-III”d)大西洋大學(xué)“KnifeBot”圖1-1國外仿生機械魚研究案例國外對仿生機械魚研究方面，最引人關(guān)注的是美國軍方研制的新型仿生機械魚UUV-“幽靈泳者”如圖1-2所示。GhostSwimmer長1.52m，重約45.4kg，可以進行最深達90m的深潛。其利用尾鰭擺動進行游動，操縱十分靈活，游動速度較快，且靜音型良好，推進效率高[6-8]。圖1-2UUV-“幽靈泳者”內(nèi)地高校從事仿生機械魚研發(fā)的有北京大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國科技大學(xué)、中科院自動化所、國防科技大學(xué)等。其中比較典型的有中科院北京自動化所在2012年設(shè)計的一型仿白斑狗魚的仿生機械魚，如圖1-3a)所示[9]。該型機械魚除了可以單獨使用胸鰭尾鰭推進以外，還能夠進行胸鰭尾鰭協(xié)同推進。北京大學(xué)一仿生機器魚團隊在2018年設(shè)計研發(fā)了一款仿箱鲀機器魚如圖1-3b)。該機器魚能夠?qū)崿F(xiàn)包括直游、轉(zhuǎn)彎、俯仰、翻滾、螺旋等在內(nèi)的多種三維運動[10]。a)中科院自動化所仿白斑狗魚機器魚b)北京大學(xué)仿箱鲀機器魚圖1-3國內(nèi)仿生機械魚研究案例目前仿生機械魚在實驗室環(huán)境下，對一些諸如俯仰、翻滾等三維運動完成已經(jīng)十分完美，但在非結(jié)構(gòu)復(fù)雜環(huán)境下的表現(xiàn)還遠達不到人們預(yù)期。目前來說，現(xiàn)有的機器魚在靈活性與機動性等方面與真實的魚類相比還有一些差距，對復(fù)雜任務(wù)的完成還較為困難[11-15]。為了實現(xiàn)仿生機械魚更加靈活的游動，使其能夠在多種復(fù)雜非結(jié)構(gòu)環(huán)境下完美執(zhí)行人們預(yù)期目標(biāo)任務(wù)，關(guān)于機械魚運動學(xué)動力學(xué)控制的研究還值得深入探討[16]。3設(shè)計基本內(nèi)容、擬解決的主要問題3.1設(shè)計基本內(nèi)容本文對仿生機械魚進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究，主要研究以下幾個方面：第一部分:根據(jù)仿生機械魚工作模式、結(jié)構(gòu)原理、承載力設(shè)計穩(wěn)固且靈活的驅(qū)動機構(gòu)，使其能承受頻繁的水中前進動作以及水中行動阻力。通過類似曲柄連桿或者其他傳動結(jié)構(gòu)完成機械魚的運動過程。第二部分:根據(jù)機械魚在水中的負載特性，選擇合適規(guī)格的驅(qū)動動力源，確定驅(qū)動系統(tǒng)功率，工作方式等關(guān)鍵參數(shù)。通過理論計算與模擬分析相結(jié)合的方法，優(yōu)化驅(qū)動系共同的輸出力，使其既能滿足水中快速游動、平穩(wěn)動作的要求，又不會造成能源浪費或過度沖擊。第三部分:對仿生機械魚關(guān)鍵的部件進行設(shè)計與分析,包括仿生機械魚的驅(qū)動系統(tǒng)、擺動裝置以及支撐機構(gòu),確保仿生機械魚可以完成水中持續(xù)運動、剛性承載等工作。第四部分:在SolidWorks軟件中對所設(shè)計的仿生機械魚進行建模,并對其進行整體裝配。并將所設(shè)計模型的二維圖導(dǎo)出，檢查導(dǎo)出模型的平面圖，確保折疊驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計符合實際需求,并為后續(xù)關(guān)鍵零部件的強度校核提供了實驗載體。第五部分:對仿生機械魚進行常規(guī)的力學(xué)校核,實現(xiàn)關(guān)鍵承重部件的強度.壽命校核，確保所設(shè)計的仿生機械魚滿足使用要求。3.2擬解決的主要問題1.采用鋁合金或鈦合金等材料構(gòu)建堅固的內(nèi)部框架，確保在承受水的壓力和機械運動產(chǎn)生的作用力時，結(jié)構(gòu)不會發(fā)生變形或損壞，為機械魚的穩(wěn)定運行提供堅實的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。2.設(shè)計以尾鰭為主要推進部件，配合輔助的動力系統(tǒng)。利用電機驅(qū)動連桿機構(gòu)，如曲柄滑塊機構(gòu)，將電機的旋轉(zhuǎn)運動高效轉(zhuǎn)化為尾鰭精確的擺動，實現(xiàn)前進、轉(zhuǎn)向等動作。并且，通過優(yōu)化動力傳輸系統(tǒng)，減少能量在傳輸過程中的損耗，確保動力能有效作用于機械魚的游動。4技術(shù)路線或研究方法研究方法：1.文獻調(diào)研法：通過知網(wǎng)，各大網(wǎng)站對仿生機械魚資料進行查詢，確定仿生機械魚的結(jié)構(gòu)和組成部分，對驅(qū)動系統(tǒng)相關(guān)的研究進行分析來完善自己的設(shè)計內(nèi)容。2.理論分析法：仿生機械魚的相關(guān)傳動參數(shù)等基礎(chǔ)理論需要弄清楚含義來對初期的結(jié)構(gòu)驗算部分進行更好的對比，可以確仿生機械魚采用多連桿機構(gòu)的優(yōu)勢。3.建模驗證法：最終計算和方案制定以后需要采用相關(guān)的軟件進行建模來對干涉性和合理性進行分析驗證。5總體方案設(shè)計方案一：本次設(shè)計采用了多舵機模塊串聯(lián)的方式，大大簡化了仿生機械魚尾部的機械結(jié)構(gòu)，舵機之間相互串聯(lián)，前舵機帶動后舵機進行運動，一個舵機就相當(dāng)于真魚的一個關(guān)節(jié)，受制于舵機尺寸限制，關(guān)節(jié)數(shù)量并不會很多，根據(jù)具體的尺寸，一般可以模擬出真實魚類的三到六個關(guān)節(jié)。機械魚尾部的運動選擇了多舵機模塊串聯(lián)的方案，每一個舵機相當(dāng)于一個真魚的脊椎關(guān)節(jié)。這種方案的優(yōu)點在于每一個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角可以得到精準(zhǔn)控制，靈活性高，而且比較接近真實的魚類運動。其工作方式為前關(guān)節(jié)帶動后關(guān)節(jié)運動，最后一個關(guān)節(jié)連接尾鰭擺動。機械魚頭設(shè)計一方面外形要像真魚頭，具有流線型的外形最大可能地減少摩擦阻力。二是在內(nèi)部空間上，魚頭用來放置電路板，電池等不能接觸水的模塊，保證足夠空間且具有固定位置，在設(shè)計中應(yīng)注意：（1）密封的有效性和方便性。在密封時要保證氣密性好，也要方便密封和安裝。解決辦法：選用防水的舵機，一體式的結(jié)構(gòu)設(shè)計。（2）魚頭的水下平衡-重心問題。重心越低越穩(wěn)定，重物盡量往低放，重心左右要平衡，如圖2所示1.控制裝置2.電池倉3-5.3d打印外殼6.尾鰭7-10.驅(qū)動舵機11-12.升潛裝置圖2方案一結(jié)構(gòu)圖方案二:仿生機械魚魚身整體為空心橢圓筒型。后端蓋凹陷處安裝第一尾鰭舵機A，端蓋用螺釘和密封圈安裝在魚體后端。仿生機械魚內(nèi)部動力部分由3個雙軸舵機ABC串聯(lián)組成（如圖3），A負責(zé)轉(zhuǎn)向，B、C負責(zé)擺動前進，每個舵機最小偏轉(zhuǎn)單位為5°，通常為15°，最大為30°，三軸總角度15°～90°，同時具備直線運動、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎和急停等運動狀態(tài)。仿生機械魚魚身下部為開放空間，前端左右兩側(cè)各設(shè)置一個胸鰭L和R，舵機和胸鰭設(shè)置在魚身外部（如圖3）。魚腹底部外加整形罩，可遮蔽胸鰭舵機和配重塊，并修飾魚體形狀恢復(fù)至流線型，進而減少亂流和游動阻力。魚頭和魚身占仿生機械魚長度的一半左右，既保證足夠的預(yù)留空間，又保證整體的剛度，即擺動前進時頭部不容易左右晃動，類似背鰭和腹鰭的穩(wěn)定作用。圖3方案二結(jié)構(gòu)圖方案對比選擇：通過上述兩個方案進行對比，方案一采用中間舵機驅(qū)動可以配合其他傳動結(jié)構(gòu)完成多點同步運動，能夠進行局部改進和好的驅(qū)動效果，方案二雖然采用圓筒中空減輕了重量，但是可能會因為沒有多結(jié)構(gòu)傳動結(jié)構(gòu)而造成行動阻礙，因此選擇方案一進行設(shè)計。6設(shè)計進度安排7主要參考文獻（黑體小二）[1]林良明.仿生機械學(xué)[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2016.[2]張秀麗,鄭浩峻,陳懇,等.機器人仿生學(xué)研究綜述[J].機器人,2021,24(2):188-192.[3]劉華,顏國正,丁國清.仿蛇變體機器人運動機理研究機器人[J],2021,24(2):154-158.[4]徐玉如,李彭超.水下機器人發(fā)展趨勢[J].自然雜志.2021,33(3):125-132.[5]李曄,常文田,孫玉山,蘇玉民.自治水下機器人的研發(fā)現(xiàn)狀與展望[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用.2020,1:25-31.[6]柯冠巖,吳濤,李明,肖定邦.水下機器人發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢[J].國防科技.2021,34(5):44-47.[7]遲東林,顏國正.仿生機器人的研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展[J].機器人,2020,23(5):477-480.[8]章秉綱.魚類游動的推進機制[J].力學(xué)實踐,2021,23(5):69-74.[9]喻俊志,陳爾奎,王碩,譚民.仿生機器魚研究的進展與分析[J].控制理論與應(yīng)用,2020,20(4):485-491.[10]魏清平，王碩民，等．仿生機器魚研究的進展與分析[J].系統(tǒng)科學(xué)與數(shù)學(xué),2021,32(10):1274-1286．[11]GopalkrishnanR,TriantafyllouMS,TriantafyllouGS,etal.ActivevorticitycontrolinashearflowusingaflappingFoil[J].JournalofFluidMechanics,2021,274(1):1-21.[12]TriantafyllouMS,TriantafyllouGS.Anefficientswimmingmachine[J].ScientificAmerican,2021,272(3):64-70.[13]BarrettDS,TriantafyllouMS,YueDKP,etal.Dragreductioninfish-likelocomotion[J].JournalofFluidMechanics,2021,392(1):183-212.[14]ZhongY,Li,Z,DuR.Anovelrobotfishwithwire-drivenactivebodyandcomplianttail[J].IEEE/ASMETransactionsonMechatronics,2021,22(4):1633-1643.[15]ZhongY,LiZ,DuR.Robot